计算流体动力学

计算流体动力学（精选12篇）

计算流体动力学 第1篇

流体模拟一直是CFD领域的一个热点话题,在模拟过程中,流体现象可粗略分为两类:一类为低速流体,包括滴水涟漪、风吹水面、水波叠加等;这类流体最主要的特点是流速较缓,给人以足够的响应时间,流动过程中不会出现大的扭曲和变形,因此抽象出来的物理方程计算量较小,模拟过程更容易控制;另外一类是高速流体,包括液面撞击时产生的破碎、飞溅、翻滚等现象,这类流体的特点是流速较快,要求计算速度比精度更为重要,流动过程中液面产生的扭曲和大变形使液面追踪的物理描述更为复杂,且计算量较大。

2 液体表面追踪方法分类

液体表面追踪方法分为两类:网格方法和无网格方法。这两种方法按采用的坐标系不同又分为拉格朗日法、欧拉法、拉格朗日欧拉混合法;如下所述。

2.1 网格方法

2.1.1拉格朗日法

在拉格朗日法中,计算网格固定在液体表面,网格的节点即为液体的物质点,因此网格随液体一起运动和变形,液体不会在单元格之间流动,所以该方法能够自然的处理自由表面和物质分界面问题;但对于液体表面的大变形现象,网格会随之发生扭曲和畸变,导致计算结果不稳定。

2.1.2欧拉法

在欧拉法中,计算网格以空间坐标为基础划分,网格与液体相互独立,计算过程中网格固定不变,不存在畸变和相交问题,液体流过单元格空间,空间内的流体状态发生变化。所以在模拟过程中,液体界面的捕捉相对困难,因此欧拉法通过引入不同的液面追踪模型来离散化控制方程,这种模型的选取决定了数值计算的准确性。欧拉法的典型代表有MAC(标志网格法)和VOF[1](流体体积法)。

在MAC法中,流体空间使用欧拉坐标系划分为矩形网格空间,初始时刻,在每个含有流体的网格空间内设置若干个无质量的标记点,标记点以其所在的流场的速度移动,它本身并不参与流场的计算,标记点的移动描绘了整个流场的流动。模拟时认为含有标记点的网格即为含有流体的网格,因此含有标记点和不含有标记点相邻的网格即为液体的自由面网格,这些网格构成了液体自由面的形状。计算过程中,速度和压力是流场的主要变量,通过求解粘性不可压缩流体的连续方程和N-S方程的差分方程,得到流体运动的压力场和速度场。在该方法中数值计算的精度会随着网格空间内标记点密度的减少而降低,所以尽管采用固定网格,也必须引入大量的标记点,这就增大了计算量。

为了克服MAC法的计算效率问题,VOF(流体体积法)诞生。VOF法也是欧拉法的一种,该方法通过研究网格空间内流体的体积和网格体积比函数F来确定流体的自由面,从而追踪流体自由面形状的变化;而不是追踪液体质点或标记点。在计算过程中若F=1,则认为该网格空间全部被液体占据;若F=0,则认为该网格空间内无液体流过;若0<F<1,则认为该网格是液体的自由面网格。与MAC法中的标记点不同的是VOF法的流体体积占有率是定义在所有网格中,来描述网格的状态。因此在MAC法中由于标记点的不均匀分布而导致的流体界面追踪计算的复杂度被VOF法改进了。但在体积比函数F的计算中必须引入施主—受主格式来满足相邻网格间的质量守恒,防止数值扩散造成的模糊边界。虽然VOF法应用非常广泛,但是在计算复杂形状的液体表面时很难保证足够的精度。

2.1.3 拉格朗日欧拉混合法

由于拉格朗日法和欧拉法各有优缺点,从而各有适用对象和研究范围,因此逐渐产生了两种方法相结合的混合方法。其中最具代表性的是ALE[2](任意拉格朗日-欧拉方法)。ALE法引入了参考坐标系,用参考构形描述流体状态,网格的划分是对参考构形的划分,网格点就是参考点,各参考点的位置由其在参考坐标系中的矢量确定,计算网格独立于物质(拉格朗日法网格划分对象)和空间(欧拉法网格划分对象)而运动,而且计算网格可以根据需要自由调整。数值计算过程中,当网格速度为0时,认为网格在空间中固定不变,此时数值计算退化为欧拉法;当网格速度与粒子速度相同时,认为网格随流体一起运动,此时数值计算退化为拉格朗日法;其他情况下认为计算网格在空间中独立运动,此时数值计算对应与一般ALE法。在ALE法中,网格可以自由移动,给大变形流体的求解带来了方便,但也增加模拟过程中的了计算量。因此选择合适高效的运动网格计算方法对ALE法起着至关重要的作用。

2.2无网格方法

2.2.1欧拉法

网格法中用于离散化控制方程的计算点由网格点决定。而无网格法用于离散化控制方程的计算点由目标计算点及其周围的计算点决定。对流体运动控制方程的每一次迭代是目标计算点和周围计算点的效果叠加。在拉格朗日法中计算点随流体移动, 但在欧拉法中计算点是固定的。因此欧拉坐标系下的无网格法被认为是一种极端的无网格线法。

2.2.2拉格朗日法

拉格朗日无网格法又被称为粒子法。粒子法的典型代表有SPH[3](光滑粒子流体动力学方法)和MPS[4](移动粒子半隐式法)。网格方法的一个缺点是离散化过程中会出现数值扩散。然而,在粒子法中,不存在数值扩散问题,因为流体的计算过程是追踪计算点的运动。因此不需要引入额外的方法来处理数值扩散问题。在SPH法中,用带有物理属性的粒子域表示连续的流体域,每个粒子都具有质量、速度、压强等物理属性,这些属性由计算粒子或其邻域粒子决定,粒子间的相互作用通过核函数来实现。通过跟踪粒子的运动轨迹求解动力学方程来模拟流体的运动。因为不借助于网格,也避免了流体大变形造成的网格畸变和重建问题,所以更适合求解复杂表面的流体运动。MPS法也是拉格朗日粒子法的一种,流体域由一定数量的移动粒子表示,控制方程是在粒子间相互作用模型所表示的梯度、拉普拉斯和自由表面的基础上离散而得。该方法引入粒子数密度的概念和半隐式的算法,有效地保持了流体的不可压缩性。

2.2.3 拉格朗日欧拉混合法

尽管拉格朗日粒子法在液体表面追踪上有着广泛的应用,它有效的控制了数值扩散问题;但与网格法中的VOF法相比,粒子法存在着两点不足:一是压力波动的存在,因为移动过程中粒子间发生碰撞,压力会引起粒子间的互斥作用;二是空间分辨率调整受到限制,因为粒子是均匀分布的,若要增加空间的分辨率,必须增加粒子数量,这就增大了数值计算过程中的计算量。基于这些不利因素,研究人员结合了无网格线法和粒子法的优势,提出了MPS-MAFL[5][6](粒子无网格线混合法)。该方法起源于MPS法,针对不可压缩流体,数值计算划分为三个阶段:拉格朗日阶段、粒子重置、欧拉阶段;通过求解半隐式方程,加快计算速度。

3 结论

随着新的数值模型的引入和计算机硬件的发展,研究人员通过不停的改进算法,结合模拟试验;复杂流体的模拟也来越逼真。但在现实应用中,不单纯是流体的运动,还要结合固体、其他液体、气体的运动,所以要实现这些耦合型的模拟还有很长的一段路要走。

摘要：CFD(计算流体力学)自从诞生以来;一直致力于各种自然现象的计算机模拟工作,如烟雾、火焰、水流、爆炸等现象;它追溯自然现象的物理本质,借助自然现象的物理描述(将自然现象抽象成物理方程)结合现代计算机的快速计算能力,计算物理描述的属性值及其变化,从而实现视觉效果的模拟。模拟的步骤可以概括为:根据力学理论建立计算模型,即为流体力学的运动方程,一般是较为复杂的非线性偏微分方程,若想要全面描述流体的运动过程,还必须考虑能量守恒、连续性方程等;针对不同类型的非线性偏微分方程寻求最恰当的数值解方法;使用计算机编制求解的算法程序进行计算求解;通过计算机上的工具实现自然现象的视觉呈现;运用力学理论知识对模拟结果进行分析和解释,最终得出科学结论。

激光焊接过程的流体动力学研究 第2篇

建立了描述小孔传热的激光深熔焊过程组合体热源模型,使用计算流体力学的控制容积法将控制方程进行离散处理后,采用SIMPLE算法求解了质量守恒、动量守恒和能量守恒方程组,模拟了激光焊接小孔的形状和尺寸以及焊接熔池的流动速度分布.结果显示,焊接小孔的.稳定性随着焊接速度的增加而降低,熔池流动速度受Marangoni驱动力的直接影响,模拟焊缝形状和尺寸与实际焊缝吻合良好.

作 者：王宏 巩水利 史耀武 Wang Hong Gong Shuili Shi Yaowu 作者单位：王宏,巩水利,Wang Hong,Gong Shuili(北京航空制造工程研究所高能束流加工技术国防科技重点实验室)

史耀武,Shi Yaowu(北京工业大学材料科学与工程学院)

计算流体动力学 第3篇

摘 要：采用计算流体力学软件 Fluent 对50 L全自动发酵罐内不同两层桨叶组合的搅拌效果进行气液两相流模拟。针对发酵罐模拟了4种桨叶组合，对比分析4种组合的速度云图，剪切速率云图以及气含率分布云图，以此优化出一种搅拌效果较好的桨型组合。根据模拟结果，初步判断组合B的混合效果最好；试验验证组合B的酶活达到193.20 U·mL-1，与原始组合相比，提高了1.1倍。

关键词：计算流体力学；50 L发酵罐；桨叶组合优化；网格划分

中图分类号：S817.2 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.05.012

发酵罐是工业上用来进行微生物发酵的设备，被广泛应用于饮料、化工、食品、乳品、佐料、酿酒、制药等行业。设计成熟的发酵罐物料与能量传递性能强，有利于发酵生产及降低能耗[1]。按照设备的类别，发酵罐可分为机械搅拌通风发酵罐和非机械搅拌通风发酵罐，其中，机械搅拌通风发酵罐在工业上使用较多。通常，此类发酵罐的高径比大于1，罐内会装备多层搅拌叶轮，以求达到较均匀的传质混合效果和较好的气含率[2-5]。

传统发酵罐的设计主要依靠实际发酵过程中所积累的经验，试验研究手段存在投资大、周期长、测量困难、效果差等缺点[6]。因此，寻找一种能够节约成本、缩短开发周期的研究方法显得尤为重要。近年来，基于计算流体力学（CFD）的理论与方法，借助计算机进行仿真模拟的技术在发酵罐设计方面应用广泛，生物反应器的设计发展迅速[7-8]。

目前，利用计算流体力学相关软件对发酵罐内流场的研究多集中在6直叶圆盘涡轮桨、半圆管圆盘涡轮桨等径流桨，且绝大多数情况下只是对一种桨叶的两层组合甚至单层桨叶进行研究[9]。本研究对50 L全自动发酵罐设计了4种不同的2层桨叶组合，并采用CFD软件Fluent模拟气液两相流。通过综合分析计算结果，得出最优的两层搅拌器组合。

1 构建模型及设计搅拌器组合

1.1 发酵罐初步建模

需要建模的生物反应器为国强牌FUS-50L（A）发酵罐，搅拌器的类型有6直叶圆盘涡轮桨、半圆管圆盘涡轮桨以及四宽折叶轴流桨3种，所建模型见图1～2，具体参数如表1所示。

1.2 桨叶组合设计

底部桨叶是决定气液分散效果的关键[10]。本文所模拟的桨叶组合有4种，如图3所示。

1.3 模拟工况条件

模拟物料参数：见表2。

模拟工况条件：通气量 1. 2 vvm，搅拌转速为 200 r·min-1。

2 CFD构建模型及仿真计算

2.1 控制方程

CFD模拟气液两相流动的方法基于Navier-Stokes 方程建立，该方程是流体力学中描述黏性牛顿流体的方程，能展示出液体的黏度。纳维—斯托克斯方程描述作用于液体任意给定区域的力的动态平衡。方程介绍见文献[5]。

2.2 模型建立、简化及网格划分

发酵罐模型建立首先在软件CAD 2010上完成，并且可以成功导入到Fluent的前处理软件Gambit中；然后，在Gambit 2.4.6上修改简化模型，比如去掉探头和电极，以达到适合模拟计算的标准；最后，选取整个罐体及内部流体为研究对象，合理分为桨叶区域和罐体区域，在专业的CAE前处理软件ICEM CFD中采取罐体区域划分高质量结构化网格（六面体），搅拌器区域划分非结构化网格（四面体、三棱柱与金字塔混合），并充分考虑到网格敏感度[3]及计算机的计算性能，经过多次试验计算，最终确定网格总数量约为176万。

2.3 模拟方法与边界条件

模拟通气搅拌反应器的一大难题是如何处理好运动区域（搅拌桨叶和搅拌轴）与静止区域（挡板和壁面等）之间的相互作用[6]。多重参考系法（Multi-reference frame，MRF）是一种经典的处理方法， 采用两种不同的参考系分别计算，桨叶区域采用旋转坐标系，其他区域采用静止坐标系，具有计算量小、计算速度较快的特点[7]。同时，选择Eulerian-Eulerian 模型作为多相流模型，标准k-ε模型作为湍流模型。第二相为空气，设置气泡粒径为10-5 m。

边界条件中，将罐顶的液面设置为压力出口（Pressure outlet），空气分布器的进气横截面设置为速度入口（Velocity inlet），罐体内壁、挡板、搅拌轴和桨叶全部设置为无滑移壁面（No slip wall）。

3 结果与分析

3.1 4种桨叶组合速度云图的比较

图4为在1.2 vvm，200 r·min-1工况下4种桨叶组合的速度云图。从图4中不难看出，4种桨叶组合的桨叶叶端皆为高速区域。并且，各种桨叶组合都有或大或小的液相死区，组合A与组合C死区较大，组合B与组合D死区较小。

另外，组合A和组合B的特征为在两层桨叶之间的速度分布均匀，但罐顶与罐底的情况较差，顶部尤为明显；组合C和组合D的特征为罐顶部分速度分布略强于组合A及组合B，但罐体中部区域的速度控制却有所下降。经过初步分析及推论，造成区别的原因为6直叶圆盘涡轮桨与四宽折叶轴流桨的造型特征不同。

3.2 4种桨叶组合剪切速率的比较

图5为1.2 vvm，200 r·min-1工况下4种桨叶组合的剪切速率图。通过观察并与图4比较不难发现，剪切速率的分布情况与速度云图有一定的相关性，即4种桨叶组合叶端位置都存在最大剪切速率，组合B的剪切速率在4种桨叶组合中最大。需要一提的是，空气分布器附近的剪切速率也不小，也间接说明了通气对整个流场的影响。

3.3 4种桨叶组合气含率分布的比较

气含率是衡量发酵罐设计质量的一大指标。在发酵过程中，绝大多数微生物培养都要通入无菌空气进行好氧发酵；相对的厌氧发酵也有连续性或者间歇性通入氮气的发酵案例。通气不仅是给微生物培养提供必要的生理条件，而且对发酵罐的流场也有一定的影响，能提高罐内的混合效果，从而影响发酵生产。

从图6中可以看出，4种桨叶组合的气含率分布都有各自的特点。

组合A在两个桨叶之间的区域，气含率分布较好，但是罐顶区域及罐底区域分布较差，原因可能是6直叶圆盘涡轮桨的径向作用能力较强，轴向作用能力较弱；组合B的气含率分布与组合A相似，但是罐底区域的分布较好，充分说明了半圆管圆盘涡轮桨不仅径向作用强，而且有不错的轴向混合效果[11]；组合C在罐顶部分区域的分布较好，两个桨叶之间的区域混合不足，也是由于四宽折叶轴流桨的构造所决定的；组合D较组合C罐底分布有所改善，罐顶及两桨叶之间区域气含率分布有所降低，说明不同桨叶组合相互会产生影响，从而影响整个流场的情况。

3.4 验证试验

通过以上分析综合评测4种桨叶组合的混合能力，初步判断组合B的作用效果最好。以重组大肠杆菌产α-环状葡萄糖基转移酶实际发酵试验对4种桨型组合进行验证。

试验结果表明，组合B的菌体生长情况以及酶活都要高于组合A（原始桨叶）：组合B的酶活达到193.20 U·mL-1；组合A的酶活达到175.64 U·mL-1。组合C与组合D的发酵情况并不乐观，不如组合A的发酵效果，因此具体数据不在这里给出。

另外需要一提的是，由于组合C与组合D的上层桨叶具有较强的轴向作用，而罐体的中部又没有相对较强的径向作用，因此在发酵过程中产生了大量气泡，气泡较组合AB多出3倍以上。此现象给随后的研究提供了参考。

4 结 论

（1） 通气不仅能给微生物培养提供必要的生理条件，而且对发酵罐的流场也有一定的作用，能改善罐内的传质情况，促进发酵生产。

（2）不同桨叶组合可产生不同流场，并且会产生或大或小的液相死区。不同的桨叶类型、组合、安装位置、通气条件等会产生不同位置和大小的液相死区。

（3）两层桨叶组合对发酵罐内的流场控制稍显不足，还是要通过建立三层桨叶甚至四层桨叶的组合来提高发酵罐的整体性能。

（4） 经实际发酵验证后，组合B的酶活为组合A的1.1倍。

参考文献：

[1] 张永震. 搅拌釜式生物反应器的计算流体力学模拟[D]. 天津：天津大学， 2005.

[2] Li X， Zhang J， Tan Y L， et al. Effects of flow field on the metabolic characteristics of Streptomyces lincolnensis in the industrial fermentation of lincomycin[J]. Journal of Bioscience and Bioengineering， 2013， 115（1）： 27-31.

[3] Ricardo G A D， Ralf T. Modeling of gas-liquid mass transfer in a stirred tank bioreactor agitated by a Rushton turbine or a new pitched blade impeller[J]. Bioprocess Biosyst Eng， 2014， 37： 365-375.

[4] 夏建业， 张嗣良， 唐寅. 不同搅拌系统气液氧传递的计算流体力学模拟[J]. 化学工程， 2009（8）： 28-31.

[5] 王立成. 带导流筒搅拌槽中液—固—固三相流场的实验与模拟研究[D]. 天津：天津大学， 2010.

[6] 王永红， 夏建业， 唐寅， 等. 生物反应器及其研究技术进展[J]. 生物加工过程， 2013（2）： 14-23.

[7] 胡效东， 田强， 戚振，等. 基于滑移网格的反应釜内部流体动力学特性研究[J]. 压力容器， 2013（7）： 30-38，55.

[8] 张雪雯. 搅拌器结构对搅拌槽内气液分散特性影响的数值模拟[D]. 北京：北京化工大学， 2010.

[9] 倪伟佳. 不同搅拌桨叶组合条件下的CFD数值模拟及头孢菌素C发酵性能比较[D]. 无锡：江南大学， 2012.

[10] 徐健， 刘孝光， 潘培道. 机械搅拌通风发酵罐内气液两相流的仿真模拟[J]. 包装与食品机械， 2006（6）： 10-13.

计算流体动力学 第4篇

英国著名教育学家J.K.Gilbert教授在其组织编著的“Visualization:Theory and Practice in Science Education”一书中特别强调:可视化技术在现代科学教育教学中的应用是一个亟待深入研究的问题[1]。Gilbert教授从认知模型的角度考虑了可视化在宏观、亚微观和符号层面认知中的作用, 讨论了照片、示意图、图表等可视化技术在科学知识描述中的功能。本文在总结“流体力学”、“空气动力学”和“计算流体力学”教学内容以及“飞行器部件空气动力学”教学经验的基础上, 结合参考文献[1]中的教学思想, 系统探讨计算流体力学 (CFD) 可视化技术在流体力学课程教学中的应用。

CFD是采用计算机模拟流体流动及相关现象的一门科学, 主要涉及物理、数值数学和计算机科学等学科。CFD的应用历史可追溯到上个世纪70年代, 理论研究的历史则更早一些。随着计算机技术的发展, CFD所能求解问题越来越复杂, 最早是求解简化方程控制的跨声速流动, 到了80年代初就可以求解二维或三维的Euler方程, 随后Navier-Stokes方程的求解也成为可能。经过本世纪近十年来的快速发展, CFD技术基本成熟, 相应的软件被广泛的应用于航空、航天、汽车、船舶、生物、材料、气象、海洋以及石油工业等领域。

在应用需求的牵引下, 目前大部分CFD软件都已经具有非常友好的人机交互界面, 不仅能够以一定精度计算流体运动控制方程、模拟复杂的流体流动, 更能够通过一定的可视化技术显示所计算流场的空间结构和时间演化特征。因此, 流体力学本科与研究生教学中涉及的诸多基本概念、一般规律和关键问题等, 都可以结合CFD软件进行直观而科学的探讨。

二、基本概念的解释

在传统的教科书中, 流体力学中的基本概念, 如流场、梯度、散度、旋度、流线、迹线、点源和偶极子等, 常常采用一定的数学公式或抽象语言来描述, 这对学生理解实际的流体流动问题是十分不利的。借助于CFD软件, 上述概念可以采用云图、矢量图和等值面等十分直观的显示出来, 下面举例来说明。

教科书关于流场的定义为[2]:流体空间中的某个区域内定义的标量函数或矢量函数, 分别称之为标量场和矢量场。在场内定义的函数可以随时间改变, 此时时间作为参数出现。设是空间点的矢径, x, y, z是的直角坐标, t是时间, 则标量场和矢量场的函数ф或可分析地表为:

在此定义基础上借助于软件可以非常直观的显示标量场、矢量场以及相应的流动特征。

标量场可采用云图来显示, 所谓云图就是采用不同的颜色对应不同的标量数值。图1所示为利用云图显示喷管流场中马赫数的分布情况, 其中黑色到白色的渐变表示马赫数从0.1变化到5.0。由喷管内部流场中颜色的分布可以看出, 喷管内部马赫数从左到右是一直增加的。这样一种显示方法不仅直观的显示了什么是流场, 更从物理上说明了流场中马赫数的变化规律。

由于矢量既有大小又有方向, 矢量场不能像标量场那样仅仅以颜色的变化来区分。在CFD中矢量一般用具有一定长度的箭头来表示, 箭头的方向对应矢量的方向, 箭头的长度代表矢量的大小。图2所示为喷管内部速度矢量场, 由图可以看出流场中每个点处的速度相对大小和方向, 很直观的表示了喷管内部气体逐渐加速的过程。图3所示为喷管内部流线, 每条曲线表示定常流动条件下流体质点在喷管中的运动轨迹, 同样直观的表现了喷管的流场结构。

在流体力学教学中经常会从简化的模型出发, 讨论理想状态下的流动问题, 如点源、偶极子等的流动。这种流场在现实中是不存在的, 通过电磁学或其他方式类比来显示相应的结构往往也不够直观。借助于CFD软件则可以很容易地通过求解简化的控制方程, 得到理想状态下的流场, 然后通过可视化技术实现三维、动态的流动演示。随着CFD技术的越来越成熟, 大部分流体力学教学中涉及的基本概念、假设等, 均可以通过CFD可视化的方式展现给学生, 改变传统教学方法, 提高教学质量。

三、流体力学基本物理现象的演示

CFD软件是通过求解不同初、边值条件下的流动控制方程来研究流体运动特征, 能够客观地反映流体运动的物理规律。因此, 在流体力学教学中, 很多关键物理现象, 如边界层、激波、射流、混合层、卡门涡街等, 也可以通过CFD技术进行分析, 并通过可视化的方式展现给学生。

在流体粘性的作用下, 绕流物体表面一般都会存在紧贴物面非常薄的一层区域, 这层区域被称为边界层。边界层概念的提出是流体力学发展史上里程碑式的事件[3], 然而在流体力学教学中往往很难把边界层的重要性讲清楚。借助于CFD软件, 可以直观地观察水流、气流中边界层的形成过程及其差别, 通过显示边界层速度剖面的形状解释边界层如何影响流场结构, 如图4所示。从图中可以很明显地看出壁面附近气流速度的降低, 体现了气体的粘性效应在近壁附近的作用。

激波是超声速流动中广泛存在的流场结构[4], 采用CFD技术可以模拟各种类型的物体绕流, 显示对应的正激波、斜激波和弓形激波等现象, 从不同的角度加深学生对激波这一物理现象的理解。射流、混合层和卡门涡街同样可以通过适当的CFD技术模拟, 甚至可以显示其中非常精细的流场结构。图5所示为混合层涡结构的CFD数值模拟结果, 由图可以看出混合层流动的失稳过程, 类似的数值模拟结果对流体力学专业高年级本科生和研究生教学是大有助益的。

四、流体力学应用问题分析

在流体力学专业的研究生教学中, 常常会涉及生物流体力学、飞机空气动力学、环境流体力学、化工流体力学、汽车空气动力学等一系列应用流体力学课程。CFD软件在工业上的广泛应用为这些课程的教学提供了大量的素材。图6、图7和图8所示为鳗鱼[5]、高超声速飞行器和F1赛车绕流流场的CFD数值模拟结果, 从中可以分析绕流物体的流动和受力特征, 探索隐藏在背后的物理规律, 加深学生对问题的理解。

五、小结

CFD软件在流体力学课程教学中有着非常广泛的应用前景, 本文以具体实例展示了CFD软件在流体力学基本概念解释、基本物理现象演示和应用问题分析方面的关键作用。通过在教学中恰当的应CFD软件, 可以有效地增强学生的学习兴趣, 提高教学质量。

参考文献

[1]J.K.Gilbert, M.Reiner, M, Nakhleh, Visualization:Theory and Practice in Science Education, Springer Science+Business Media B.V.2008.

[2]J.H.Spurk, N.Aksel.Fluid Mechanics, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2008.

[3]G.E.A.Meier, K.R.Sreenivasan, IUTAM Symposium on One Hundred Years of Boundary Layer Research, Springer, 2006.

[4]J.D.Anderson, Modern compressible flow-With Historical Perspective, Mc Graw-Hill, 1990.

液相色谱流动系统的流体动力学研究 第5篇

液相色谱流动系统的流体动力学研究

以流体机械能守恒定律为依据,建立了流动相在液相色谱系统中的流体动力学模型P=k1+k2 qu,并以典型的液相色谱系统证明了其正确性,即流动相的体积流量和其在色谱流动系统中产生的`压强降为线性关系,而流动相的粘度对压强的影响表现在系数k2上的不同,粘度增加,k2值增大.此研究为高效液相色谱分析中色谱柱、流动相及其体积流量的优化选择及辅助系统的设置提供了理论依据和指导.

作 者：庞秀言 孙汉文 申世刚 作者单位：河北大学,化学与环境科学学院,河北省分析科学与技术重点实验室,河北,保定,071002刊 名：河北大学学报(自然科学版) ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)年，卷(期)：24(5)分类号：O643.1关键词：高效液相色谱 机械能守恒定律 流体动力学模型 体积流量 粘度

猫、牛奶和流体力学 第6篇

自从发明了高速电子摄影设备，它们发现猫的舌头很巧妙地只触及奶的表面，像龙卷风一样，先把奶液向下推，再利用地心引力的反作用力，把奶液吸起来形成一个圆筒形，电光石火之间，送进口腔。

科学家把猫喝奶的纪录片细看，看了三年半，终于算出了猫舌出击的速度和每次卷舌头的频率之间的一个方程式。再计算猫舌的面积，加进去，就算出了一个叫“佛罗德函数”的新东西——一只猫每伸一次舌头舔进多少奶，与猫舌面积和伸缩速度的关系。

为什么有此研究？全因为一个叫史托克的流体力学家。一次，他在家里的厨房喂他的宠物猫喝奶，他抚摸着它，欣赏它的美态，忽然兴起研究猫喝奶的念头，像牛顿头上掉下了一只苹果，他无意中发现了神迹。

这是一项研究，也是一种激情，来自对生命的好奇和热爱，对动物的欣赏和呵护。许多父母叫小孩立志做航天员、当总统。他们喜欢大志向，不屑于在小事上钻研、下功夫。由猫喝牛奶，研究出大学问来，后面有一股动力——最好的教育，是培养一颗仁心。

计算流体动力学 第7篇

近年来,随着世界范围内对能耗标准要求日益严格,开发大功率高效电动机成为研究热点。对于大功率交流电机,通风风扇的设计不仅影响到电机的温升与散热,风扇损耗也占总损耗相当大的一部分。设计与优化大功率高效交流电机的外风扇具有重要的研究价值[1,2]。

传统电机设计中采用的径向离心式外风扇虽然设计与制造简单,但存在效率低、噪声大等缺点。采用后倾式离心风扇在提供同等风量的条件下可以极大地减小风扇损耗[2,3],近年来已逐步成为风扇优化设计的主流方向。传统上,设计后倾离心式风扇一般采用估算实际需要的风量与风压,利用若干经验公式进行风扇的尺寸计算,称为传统计算方法,这种方法简单、高效但准确性和适用性值得探讨。随着计算机技术的发展,计算流体力学分析软件成为设计外风扇的有力工具[4]。本文在前期研究[1]的基础上,对YKK355-630系列电机风扇设计进行建模与计算,通过与传统计算方法得到的结果进行对比,讨论了传统计算方法的适用性。通过对风扇流场的仿真分析,验证了基于计算流体动力学分析的高效交流电机外风扇优化设计的可行性。文章同时证明后倾式离心风扇较径向离心风扇效率提升。

2 利用传统计算方法进行风扇优化设计

2. 1 基本公式

应用于电机外风扇的离心式风扇往往采用后倾和径向两种叶片形式。径向式风扇应用于电机双向运行,但效率低、噪声大。与径向式风扇相比,离心式风扇在提供同等风量的条件下损耗会大大降低,兼顾电机对风量、风压以及能耗的要求。为了符合空气动力学原理,离心式风扇扇叶一般采用弧形叶片,但在对风扇效率要求不高的设计中,出于加工工艺的考虑,也会采用平板叶片。三者分别如图1( a)~ 图1( c) 所示。

优化设计离心风扇的关键是准确计算风量及风压。风量和风压决定电机外风扇在单位时间内通过热传递带走热量的多少,也决定风扇扭矩。由于电机损耗绝大部分以热能形式散失,所以上述两者之和近似等于电机总损耗功率,即:

式中,PTL为损耗功率,单位: kW; Q为风量; cv为空气体积热容; ΔT为流经电机后空气的温升,一般取15~ 20K; Tf为风扇扭矩,反应风扇转动中受到空气作用力的大小; n为风扇转速,即电机转速,单位:r /min。

电机同轴带动风扇旋转时消耗的能量称为风扇转动能量Protate,转化为出口处空气动能Pair的效率称为风扇效率:

式中,pt为风扇运行时全压差。离心式风扇的最大效率一般在0.4以下,径向式风扇最大效率一般为0. 15 ~ 0. 20,后倾式风扇一般为0. 20 ~ 0. 30。结合式( 1) 和式( 2) ,根据风扇的外特性曲线以及外风路的风阻特性,可以确定合适的风量与风压,进而设计风扇尺寸。风扇尺寸示意图如图2所示。

假设叶片数无穷多,叶片厚无穷小,风扇产生的风量为最大值QM。QM可以利用下式估算得到:

式中,b为图2中的b2; S2为叶轮外径处通过气体的圆柱形表面积; u2为叶轮外径处的切线速度; δ0为风量修正系数; λ为考虑风扇出口有效截面受风扇叶片厚度影响的系数。实际风量一般只达到最大风量的40% ~60%,此时风扇的效率较高,一般而言,应该使设计的风扇其实际运行时的风量处于此范围内。对于后倾式离心风扇,在确定基本尺寸的基础上,需要合理设计叶片详细尺寸,包括倾斜角、圆弧结构[5],根据不同的需要,有大量经验公式可以参考。

风扇的风压可以根据以下经验公式进行计算:

式中,H0为风扇空载风压,即风量为0时的风压; η0为空载时气体动力效率; ρ为空气密度; u1为叶轮内径处的切线速度。需要说明的是,参数η0根据风扇结构取值不同,对于径向式风扇,此值取0.6; 而对于其他叶片形状风扇,此值选取较为复杂。

利用式( 3) 和式( 4) 计算确定的最大风量QM和空载风压H0,可以计算出风扇在提供不同风量时对应的风压大小:

风量Q与H的关系,即是风扇的外特性曲线。而外风路的风阻特性曲线与其交点,即是风扇的实际工作点。

2. 2 设计实例

以YKK560 6极800kW高压异步电机外风扇为优化设计对象,其尺寸如表1所示,根据式( 1) ~ 式( 3) 对原径向式离心风扇进行合理性分析。表1中N为叶片数,其余参数对应于图2中参数示意。

对于此风扇,假设其工作在最大的效率区间,即设其风量为最大风量的一半。计算得到风扇工作在额定转速1000r/min时的性能参数,如表2所示。

表2中,pt为全压差,Pr为风扇运行时带走的热损耗,Protate为风扇机械损耗,计算得到的电机总损耗为PTL,即此风扇散热能力配合的电机损耗约为68kW。

在前期工作中,对此电机进行了实际测试,其额定运行时总损耗为PfTL= 39. 72kW,远小于风扇设计的最优风量所对应的损耗值,即可以适当缩减风扇风量。另一方面,若采用后倾离心式风扇,能大大减小风扇扭矩,降低风扇机械损耗。利用式( 1) 计算出实际需要的风量大小约为1.3 ~1.7m3/s,当假设改用后倾风扇( ηf= 0. 25 ) 时,机械损耗降为2. 65kW; 通过计算,得到风扇风压约为390Pa。确定最大效率点的风量以及风压以后,可以设计得到后倾离心风扇尺寸[1],如表3所示。

设计中叶片数N =16根据经验公式及考虑噪声而选取,叶片厚度为8mm,风扇叶片采用圆弧形结构,结构图如图3所示。

3 基于计算流体动力学的风扇优化设计

第2节利用经验公式进行了原径向离心式风扇的分析和后倾离心风扇的设计,本节利用计算流体动力学软件对上述设计进行分析[6]。

3. 1 原有方案流体场计算

本文利用机械设计软件Pro-E建立风扇机械模型,导入有限体积网格生成软件Gambit进行网格划分与初始边界条件设定,最后利用流体计算软件Fluent进行分析计算。计算中采用k-ε湍流模型,通过设定边界条件为流量入口和压力出口,改变风量大小,进行模拟计算,从而获取风扇外特性[3,4]。

利用软件数值计算得到原径向风扇性能特性,其最大效率点和经验公式计算得到的最大效率点对比如表4所示。

可以看到,对于原径向风扇的最大效率工作点,传统的公式计算方式与应用流体力学数值计算得到的结果基本相似,但最大效率相差较大。误差主要来自于风量修正系数δ0,考虑风扇出口有效截面受风扇叶片厚度影响的系数λ,以及实际风扇的空气动力学特性。

根据之前的分析可知,原电机运行时,其径向风扇事实上并不工作在前面计算得到的最大功率点。根据温升,其风量大致在1.3 ~1.7m3/s。设置风量为1. 5m3/s,在软件中模拟计算得到此时的原径向风扇工作点,结果如表5所示。

计算结果表明,实际上原径向风扇的效率只有6. 53% ,而电机用于风扇的损耗为8. 66kW。如果采用效率较高的后倾式风扇,并使其运行在最大效率工作区间,则可大大减小损耗。由于计算得到的实际工作点的风量和风压与之前利用公式估算的结果相近,保持后倾风扇设计方案不变,后文中会对其进行分析。

由上可知,利用经验公式的计算结果存在误差,各种修正系数的选取使得计算得到的数值变化范围很大,而在进一步计算整个工作区内的每一个工作点时,这种误差将积累放大,无法得到风扇的准确的外特性曲线,在对效率要求十分高的设计中,需要重新考虑其实用性。

利用CFD软件,通过检查流体域速度向量图、流线图和压力等值线图,可以直观地分析风扇的机械结构是否合理。风扇风路速度向量图和流线图如图4所示,风扇压力等值线图如图5所示。原径向风扇出风口速度较大,但扇叶静压分布相对不均匀,外缘处承压较大。后倾风扇风路速度向量较为平滑,无明显涡流产生,在一定程度上表明其风效较高。

3. 2 优化方案计算与分析

经过软件计算,得到最大效率点参数如表6所示。与公式计算相比,优化方案的最大效率点处风量稍大、风压偏低,在最大效率上,二者相近。改变入口边界条件为流量入口,通过设置不同的风量,可以计算得到此后倾风扇的外特性曲线和效率曲线,如图6所示。在风量-风压曲线中,根据前述的实际工作点,绘制近似的外风路风阻特性。

可以看到,当风扇流量为1. 94m3/s时,基本达到最大风效,此时风扇损耗1. 73kW。观察图中风阻特性与风压曲线交点,得到实际的风扇运行点为Q = 1. 4m3/s,pt= 300Pa,Protate= 1. 78kW,此时处于预期的工作区间内,风量稍微偏小。考虑到此时对应的风扇损耗由8.66kW降低至1. 78kW,估计原电机总损耗由39. 72kW降低至32.84kW,降低约17% ,发热量成比例减小,对风量要求相应降低,则此时风扇提供风量可以满足系统散热要求,证明优化方案合理。

通过上述分析,可以小结为: 利用传统计算方法对电机外风扇风量、风压的计算存在误差,误差来自于经验公式的不准确以及公式中诸多修正参数的选取。在对效率要求十分严格,特别是大功率高效交流电机外风扇的设计中,传统的利用经验公式的计算精度不足以帮助进一步削减风扇损耗。利用基于计算流体动力学的数值计算方法可以很方便地获得目标风扇在各种工况下的特性,不论是分析现有风扇的合理性还是对设计方案进行仿真模拟,都具有较高的可信度。在计算机处理能力飞速提升的今天,计算风扇流体场耗时极短,因此,计算流体力学方法在设计优化电机通风结构上拥有巨大的应用空间。

4 结论

计算流体动力学 第8篇

1 计算流体动力学在航空叶轮机械中的应用

1.1 三维叶型设计

CFD在叶轮机械设计中发挥着重要的作用, 其主要是利用三维建模的方式对叶轮机的结构进行优化, 可以保证叶片转动的高效性, 要保证叶轮机械设备具有较高性能的流动结构, 这可以保证叶轮机优化的效果。三维设计是一种高效的工作方法, 其在航空叶轮机械设计工作中发挥着重要的作用, 可以促进航空叶轮机械设备更好的运行, 采用三维叶型设计的方法, 可以减少叶轮转动的能量损耗, 可以实现叶轮机械效能的最大发挥。应用CFD方法, 可以确定叶轮机性能参数的最佳性。

1.2 多级流动的模拟

定常CFD在工程中应用比较多, 其可以对非定常流动现象进行判断, 这种方法在叶轮机风扇的设计中应用比较多, 可以保证叶片设计的最优性。采用多级流动模拟技术, 可以做好叶片撑定的匹配工作, 可以实现叶排的合理转换。CFD在叶片排间分析中, 可以减少设计时存在的误差, 可以保证叶片转动的均匀性。在对应力方法进行选择时, 采用CFD方法, 可以减少模型出现的偏差, 可以保证多级叶片在叶轮机系统相互配合, 采用三维非定常的方式, 可以保证设计的质量。

1.3 几何复杂性的考虑

除了目前可经常性模拟的叶栅通道流动外, 真实叶轮机的流动还包括许多几何和流动的复杂性需要加以正确模拟, 否则无法对设计实施优化。其简单者如涵道风扇后的中介机匣和转子顶部的间隙泄漏流动:带冠涡轮转子和带围带的静子的泄漏流动:涡轮冷却气与主流的相互作用;以至轮毂动静部件间的轴向间隙对主流的影响等。这些几何复杂性所牵涉的流体质量流量往往并不很多, 但可能因强的非线性作用对主流产生重要影响, 如高负荷高压涡轮绕过冠顶的漏流可造成3.4个百分点的效率损失。而对高压压气机而言, 中间放气将极大地改变叶片的负荷分布和级间匹配。CFD的编程人员或许可以对这些细节不屑一顾, 但对设计人员而言, 不能计入这些细节的CFD程序就是残缺的。转子间隙的存在诱导了转子根部吸力面角区的分离, 致使转子根部加功量和效率下降, 改变了流动参数沿径向的分布。要计入这些复杂几何因素的影响, 传统的简单的结构化网格很难甚至不能胜任。或用多块的结构化网格, 这也是CFD的必然发展方向。

2 计算流体动力学在航空叶轮机机械中应用的发展与展望

三维叶轮机械的设计是一项专业性较强的工作, 设计人员需要了解计算流体动力学的工作原理, 还要了解流动结构的特性, 避免叶轮机械设备出现不合理的流动。CFD有着较多的优点, 其可以利用三维建模的方式对叶轮机械设计进行优化, 但是这项技术也有一定局限性, 其有着一定适用范围, 在应用的过程中, 还要考虑其物理内涵, 保证适用范围的合理性, 这样才能提高应用的效果。在对航空叶轮机械进行优化设计时, 需要应用机械化技术, 不能太过依赖设计人员的主观经验, 避免出现经验错误问题。我国对计算流体动力学的研究比较晚, 研究的成果不多, 所以CFD技术的应用范围并不广, 其还无法实现自动化运行, 在优化的过程中, 需要对其应用进行适当的约束, 这样才能促进计算流体动力学更好的推广与应用。

计算流动动力学属于非定常计算方法, 随着科技的不断进步, 这一方法应用的范围逐渐扩大, 在发动机的研究与配制中发挥着作用越来越大。在应用CFD方法后, 可以通过三维建模的方式, 对设备的结构进行优化, 设计人员要提高资源的利用率, 如果空间分辨尺度聚焦比其粘性尺度小很多, 则会造成资源的浪费。设计人员可以参考大涡模拟的原则, 在对叶片的尺度进行优化时, 可以建立统一的三维模型, 可以采用分层设计的方法, 这样可以降低设计的难度, 提高设计的效率。

在对计算流体动力学方法进行改进时, 需要采用动静干扰的研究方式, 要通过非定常的方式提高研究的成果, 在研究的过程中, 重点不宜放在提高计算效率方面, 要采用漩涡动力学的原理进行研究, 将计算流体动力学应用在航空叶轮机械设计中, 要降低资源的损耗率, 要控制旋转时产生的流动损失, 还要保证流动的稳定性, 这样才能保证叶片转动的效率。在对叶片流动因素进行分析时, 还要考虑复杂几何的概念, 要对非结构化的网格模式进行研究, 还要对叶轮机械设备运行程序下, 机闸工作的原理进行分析, 在研究的过程中, 还要考虑计算流体动力学的物理性质, 要保证CFD可以在航空叶轮机械的研制中发挥更大的效用价值, 要考虑到这种方法的复杂几何能力, 还要对湍流模型进行优化, 这样才能实现CFD方法处理能力的提升, 在选用多块网格CFD程序后, 要保证网格的质量, 利用自动网格生成器, 还可以在CAD/CAM系统中生成空间网格, 只有优化CFD技术, 保证CFD算法格式的最优性, 才能保证CFD方法更好的推广, 提高其复杂几何能力。

结束语

本文对计算流体动力学在航空叶轮机械中的应用情况进行了介绍, 还对计算流体动力学的发展进行了展望, 希望对相关设计人员提供一定帮助, 促进CFD技术在航空机械行业更好的应用与推广。CFD方法是一项先进的计算工具, 为了保证这种方法的应用效果, 技术人员需要对这一方法进行优化, 还要提高这一方法的复杂几何能力, 在应用非结构化网格技术时, 要保证网格具有较高的性能, 在对CFD进行优化时, 可以有效提高叶轮机的工作效率, 可以促进我国航空事业更好的发展。

参考文献

[1]施坤.基于CFD的离心通风机内部流场数值分析[J].科技创业家, 2012 (19) .

[2]季路成, 李伟伟, 伊卫林.伴随方法用于叶轮机优化设计的回顾与展望[J].航空发动机, 2011 (5) .

基于计算流体力学的风机数值模拟 第9篇

随着国民经济的的不断进步和发展, 风机的产生在国民经济的生产发展中起到很大的促进作用, 风机将随着时代的发展, 不断更新技术研究, 从而能够更好的适应经济发展的需要, 传统的风机设计, 人们仅靠试验取得数据和经验公式, 试验发现问题, 改进设计。但由于试验研究方法受到各种条件的限制, 很多模拟参数的测量受到很多不良因素的影响, 给测量结果带来很大的困难, 很容易降低风机数值的实用性, 对风机数值测量的误差加大。而现阶段, 由于科学技术的不断发展, 利用商业CFD软件对风机的全三维流场进行模拟已越来越普遍, 也就是利用计算流体力学对风机进行数值模拟的研究, 给数值模拟工作带来了很大的便利, 通过对计算结果进行了分析, 模拟结果有助于理解风机内部的流动规律。

1 计算流体力学的概念分析

计算流体力学 (Computational Fluid Dynamics, 简称CFD) 起源于20世纪60年代, 当时的学科兴起跟计算机的技术发展有很大关系, 随着人们对其不断的发展和研究, 计算流体力学已经被广泛的应用, 各种商品化的CFD通用性软件开始应用这类力学研究, 同时更是对很多工业领域的生产发展起到很大的作用, 计算流体力学以计算机为基础, 利用数值的方法进行对流体力学各类问题的研究和模拟, 主要在离散格式、湍流模型与网格生成等方面进行相对的数值试验、计算机模拟和分析研究, 利用计算流体力学研发出得CFD技术, 不仅极大的克服了传统流体力学中不完善的问题, 而且还在应用领域得以全面的扩大, 很多核能、化工、建筑等领域都有其力学的涉略。风机在以上领域也有其所用之处, 为此, 计算流体力学对风机的设计和研究也有很大的作用。

2 风机的数值模拟分析

众所周知, 风机的国民经济发展的重要工具, 其在对生产过程中发出的大量湿、热、工业粉尘、甚至有害气体和蒸汽都有着有效的防护和净化处理的作用, 同时还能回收再利用, 有效的对资源进行合理的分配整合, 其中风机在纺织业的作用较为突出, 络筒机的离心风机提供了吸纱的作用, 不仅可以免去资源浪费, 还能减少纺纱机的能源消耗, 有效的提高纺纱质量, 具有更多的促进作用。在工业发展中, 风机从节能、降低噪声污染的角度来说, 尤其更大的促进作用, 因此在风机的设计原理上, 更多的要注重高效率, 但就目前市面上的风机产品, 可谓参差不齐, 很多规格和品种配套性极差, 为此在工业应用上也受到了很大的影响, 需要对已有的风机进行改造, 数字模拟其实是以电子计算机为工具, 把数学模型蕴藏的定量关系展示出来, 利用计算流体力学对风机的复杂流动问题的模拟计算, 通过数值离散求解流体运动方程, 揭示风机流体机理和流动规律, 从而研制出新的风机设计, 使整个产品从开发到运用都能够达到更为经济和省时的作用。

3 基于计算流体力学的风机数值模拟的应用

利用计算流体力学来研究风机的数值模拟, 这种方法对风机的设计提供更为依据原理, 对风机的不断完善起到促进作用, 其应用范围很广, 例如:通过对地铁专用轴流风机的设计来说, 这类风机主要应用在地铁车站和隧道区间内, 因其受都流量大、压头高和功率大等特点的制约, 试验成为了地铁轴流风机的设计检验的一般途径, 但是却在人力物力上有极大的消耗, 造成设计成本的浪费。为了克服这一弊端, 采用计算流体力学的原理, 对地铁轴流风机采用进行数值模拟, 主要是对地铁轴流风机在不同转速和安装角度进行模拟, 通过得出的最后结果进行指导设计方案, 并将模拟结果与厂家的试验数据作了对比, 酌情查处风机是否有需要改动之处, 从而提高风机的设计效率, 具有明显的应用价值和经济效益。

4 结论

以上对计算流体力学的风机数值模拟的分析和研究, 计算流体力学不仅是对风机的设计有很大的促进作用, 更大的提高风机的设计效率, 随着科学技术的进步, 其作用会越来越大, 充分了的利用计算机和数值数学的结合, 对流体力学的各类问题进行数值试验、计算机模拟和分析研究, 以解决实际问题。从而有助于人们对风机的构造设计进行深入了解和不断完善, 依靠合理的计算来优化风机的设计技术, 计算流体力学不仅是科学技术革新的依据, 更是极大满足了国民经济发展的需要, 计算流体力学进行对风机数值模拟的技术研究, 更是对设计高效率的风机具有重大意义。

摘要：风机是在国民经济发展的各个部门都被广泛使用的机器, 通常在冶金、石油、化工、纺织、电力、轻工等工矿业较为广泛, 在这些部门生产发展中起到很大的帮助作用, 随着计算机软硬件的发展水平的提高, 应用计算流体力学软件可以对风机进行数值模拟和分析, 为深入了解和分析风机数值带来巨大便利, 利用数值方法通过计算机求解描述流体运动的控制方程, 揭示流体运动的物理规律, 进而得出风机的工作原理, 本文同过对计算流体力学进行分析, 解析出风机的数值模拟, 不断完善发展风机技术。

关键词：计算流体力学,风机,数值模拟,发展前景

参考文献

[1]黄其柏.离心风机旋转频率噪声的理论与声辐射特性研究[D].西部大开发科教先行与可持续发展——中国科协年学术年会文集, 2009.

[2]姚宏, 王大枚, 雷丛林.浅圆仓五种机械通风方式比较试验[D].中国粮油学会第二届学术年会论文选集 (综合卷) , 2010.

计算流体力学技术及常用软件简介 第10篇

1 CFD计算过程

一般而言, CFD通常包含如下几个主要环节:建立数学物理模型、数值算法求解、结果可视化。

1.1 建立数学物理模型

建立数学物理模型是对所研究的流动问题进行数学描述, 如下式为粘性流体流动的通用控制微分方程, 随着其中的变量f的不同, 如f代表速度、焓以及湍流参数等物理量时, 式子代表流体流动的动量守恒方程、能量守恒方程以及湍流动能和湍流动能耗散率方程。基于该方程, 即可求解工程中关心的流场速度、温度、浓度等物理量分布。

1.2 数值算法求解

要对实际问题求解就需要对它的求解区域进行离散。数值方法中常用的离散形式有:有限容积, 有限差分, 有限元。离散后的微分方程组就变成了代数方程组, 表现为如下形式:

或者:

其中, a为离散方程的系数, f为各网格节点的变量值, b为离散方程的源项。下标P、E、W、N、S、T和B分别表示本网格、东边网格、西边网格、北边网格、南边网格、上面网格和下面网格处的值, 或者以nb表示P的相邻6个节点。通过离散之后使得难以求解的微分方程变成了容易求解的代数方程, 采用一定的数值计算方法求解 (1-2) 式表示的代数方程, 即可获得流场的离散分布。从而模拟关心的流动情况。

1.3 结果可视化

通过计算机图形学等技术, 就可以将所求解的速度场和温度场等形象、直观地表示出来。通过可视化的后处理, 可以将单调繁杂的数值求解结果形象直观地表示出来, 甚至便于非专业人士理解。如今, CFD的后处理不仅能显示静态的速度、温度场图片, 而且能显示流场的流线或迹线动画, 非常形象生动。

2 CFD软件简介

目前全世界大约有30种以上的CFD商业软件包, 常用的有PHOENICS, CFX, FLUENT, STAR-CD, FLOTRAN, FIDAP等。这些软件界面良好, 具有强大的前处理和后处理功能, 可以分析从层流到紊流、定常到非定常、不可压到可压、无粘到有粘的几乎所有的流动现象, 越来越成为研究人员手中的强大武器。

各种CFD通用软件的数学模型的组成都是纳维斯托克斯方程组与各种湍流模型为主体, 再加上多相流模型、燃烧与化学反应流模型、自由面流模型以及非牛顿流体模型等。大多数附加的模型是在主体方程组上补充一些附加源项、附加输运方程与关系式。随着应用范围的不断扩大和新方法的出现, 新的模型也在增加。离散方法采用有限体积法 (FVM) 或有限元素法 (FEM) 。由于有限体积法继承了有限差分法的丰富格式, 具有良好的守恒性, 能像有限元素法那样采用各种形状的网格以适应复杂的边界几何形状, 却比有限元素法简便得多, 因此, 现在大多数CFD软件都采用有限体积法。然而, 有限元素法也有其优点, 它对高阶导数的离散精度高于有限体积法, 低速黏性流动与非牛顿流体运动采用有限元素法可以提高精度。有限元素法也更适合流体力学与固体力学相耦合的问题, 如气动弹性、振动噪声等, 因此在CFD方法中将有其自己的领域.目前国内销售的CFD通用软件PHOENICS FLU-ENT、STARCD和CFXTASC flow等都采用有限体积法。而以固体力学计算为主的著名有限元软件ANSYS中包含着流体力学计算模块, 适于合流固耦合计算。

为了体现通用性, CFD通用软件应能适应从低速到高超音速的宽广速度范围。然而跨、超音速流动计算涉及激波的精确捕获, 对离散格式精度要求甚高, 难度较大。CFD软件都配有网格生成 (前处理) 与流动显示 (后处理) 模块。纳维斯托克斯方程组的求解模块是CFD软件的核心部分。纳维斯托克斯方程组对于不可压缩流体与可压缩流体的流动所表现的不同性质导致解法上的差别。对于低速不可压流动, 如不考虑温差引起的浮力效应, 连续方程与动量方程便可构成封闭方程组, 由一定的压力分布通过动量方程即可解得速度场。但速度场必须满足连续方程的约束, 而连续方程与压力却没有直接关系, 从而导致求解的困难。针对这一问题出现了多种解法, 如人工可压缩性方法、压力校正法与时间分裂法等。

目前在我国设有代理或办事处的著名CFD通用软件有PHOEN-ICS、FUENT、STARCD与CFXTASC flow等, PHOENICS软件是最早推出的CFD通用软件, FLUENT、STARCD与CFXTASC flow是目前国际市场上主流软件, 在使用的过程中应该注意以下方面:

1) 离散格式、求解方法以及多层网格等加速收敛功能。这是软件的核心部分, 对解的精度与求解速度等起决定作用, 软件完成后也很难再改变, 所以是决定软件先进性的重要因素, 对计算精度要求较高的用户以及需要计算跨、超音速流动的用户, 这方面尤其要留心。这些功能要通过具体算例来考察, 不能仅依据说明介绍。2) 网格生成功能及与之相匹配的算法。网格生成功能的重要性毋需烦言, 还要注意与各种网格相匹配的算法。如多模块网格中相邻模块对接或叠合时的数据连接方法;又如叶栅流动模拟中常采用C、O型结构网格, 周期边界面上会失去网格点周期性, 因此需要软件能通过插值施加周期边界条件等。对于非结构网格及自适应网格, 则软件要有与之匹配的离散格式与算法, 不能沿用结构型网格的算法。3) 处理用户的特定计算对象的能力。CFD技术在工程上主要用于热、流相关产品与设施的研制设计过程, 随着我国工业技术从引进、仿制走向自行设计开发新产品, 这一高科技方法将深入到各相关领域, CFD通用软件在我国有着广阔的应用前景。

摘要：计算流体力学技术, 近年来在我国得到广泛的应用, 本文介绍了计算流体力学技术的基本原理、计算过程以及目前常用的一些CFD软件的特点和应用领域。

工科流体力学教学方法与改革 第11篇

[摘 要]流体力学理论性较强，内容抽象，是学生认为比较难学的课程。本文从教学理念、教学思路、教学手段和方法等方面对流体力学课程教学与改革进行探讨。在理论教学中，将精力集中在公式建立的基本原理及其适用条件上，侧重于公式的推导思路，淡化公式推导过程；在教学手段上，将多媒体和数值实验引入教学中，便于学生对复杂流动现象和抽象理论的理解；在授课过程中，采用多媒体技术具体形象地展示流体的抽象理论和复杂流动现象，达到了很好的教学效果，提高了教学质量。

[关键词]流体力学 教学改革 教学方法

[中图分类号] G424.1 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2015）05-0129-02

一、引言

流体力学是研究流体平衡和运动规律及其实际应用的技术科学，是航空航天、土木、机械、水利、化工、材料成型等多个学科的重要的专业基础课。流体力学具有理论性强、概念和方程较多、对学生高等数学知识及综合分析和处理问题能力要求较高[1]、工程实际应用广等特点。学好流体力学课程对专业课学习甚至对将来工作中遇到的理论和实际工程技术问题的解决具有重要的意义。

在流体力学的学习中，学生需要掌握大量的概念、定理、公式、经验参数和理论模型，而流体力学的理论较为抽象和深奥，且计算求解过程复杂，学生在学习过程中会觉得比较难学。[2]近年来随着科学技术的突飞猛进，计算机技术、实验手段和流体力学的应用都取得了长足的进步，如果仍然按照传统教学模式来讲授流体力学课程，那么学生就会觉得内容枯燥难懂，影响学生的学习积极性和效果。笔者根据多年流体力学的应用和教学的经验，并参照兄弟院校的先进经验，从教学理念、教学手段和教学方法等方面对流体力学教学改革进行论述。

二、教学理念的转变

流体力学课程教学的主要目的，不仅仅是让学生掌握课程理论知识，更是让学生应用流体力学的基础知识解决工程实际问题。因此，教师要在课程的第一次课，借助多媒体视频手段介绍流体力学在各个领域中的实际运用，尤其是在本学科工程实际中的应用，使抽象的理论知识具体化，让学生深刻体会学习流体力学的重要性，并激发学生的学习兴趣。在基础篇的课程讲解中，注重思路和方法的讲解，培养学生学习该课程和解决问题的能力。专题部分，每个专题要结合工程实际中的问题和学科前沿的发展讲解，让学生将所学知识更好地和工程实际结合起来，便于学生理解抽象的理论知识，并掌握在工程实际中的应用思路和方法。在整个教学过程中，把流体力学的教学从单纯的专业理论知识教育转变为知识、专业素质和能力并进的培养教育。 [3]

（一）课堂教学手段和方法的改革

1. 理论教学

理论内容是流体力学教学的主要部分，是进行实验指导、工程应用的基础。流体力学教材中有较多的计算公式及推导，在讲授这些理论内容时，如果像数学的教学那样，将重点放在公式推导上，不仅浪费时间，而且还可能使学生感到流体力学理论高深莫测，学习起来易产生畏难心理。所以，在教学过程中，应将精力集中在公式建立的基本原理及其适用条件上，侧重于公式的推导思路。[1]学生理解了公式建立的原理和推导思路，公式推导自然就不是什么难事了。例如，在流体力学基本方程的讲解中，以连续性方程为例，可将重点放在质量守恒定律的物理意义、流体微元各个表面上流入流出的流体的描述、微元内流体质量的变化及其各个量的数学描述上，根据质量守恒定律很自然地就可以写出质量守恒定律的数学描述，剩下的工作，就是采用简单的数学手段将公式简化整理。

在讲解公式的适用条件时，要让学生明白，特定适用条件（可举本学科工程实际或者生活中常见的现象）对应怎样的数学描述，在适用条件的数学描述基础上对应方程会有怎样的简化等。这样学生就会对方程有充分的理解，比单纯记公式效果要好得多。

相信大部分刚看到一堆公式就有点发怵的学生，经过这样的讲解都会有豁然开朗的感觉，理解连续性方程的推导过程自然也就不是问题了，同样方法可用于动量方程和能量方程的推导。讲完连续性方程的推导，引导学生讨论动量方程和能量方程应考虑哪些物理量，并引导学生如何在单元体上应用动量守恒和能量守恒，这样到了具体推导的过程大部分学生自己就能完成了。以这样的方式讲授流体力学课程，不但可以简化繁琐的数学推导过程，还可以使学生建立学科的思维方式，使流体力学的学习变得简单易行。

学生通过这样的方式学习流体力学，不仅学到知识，还形成学科思维方式，学到该类课程的学习方法并提高了利用流体力学知识解决实际问题的能力。

2.教学手段的改革

流体力学的很多理论较为抽象和深奥，许多复杂的流动物理图像难于用语言清晰地描述出来，因此在课程的讲解中，学生理解起来比较困难。

近年来，多媒体技术成为国内外改革教学方式的重要手段，利用多媒体可以形成新的教学模式，达到很好的教学效果，提高教学质量。[4]在教学的过程中，利用多媒体播放视频动画或者实验录像，将构造的生动实物形象搬上屏幕，引入课堂。这种方式形象生动，能够帮助学生建立清晰的物理概念，缩短认识过程，加深学生对某些重要知识点的理解。

在实际教学中，有些流体力学现象无法用实验来演示，有些实验受各种条件的限制。在这样的情况之下，电子演示技术便显示其优越性。许多高校的流体力学国家精品课程，都有丰富的电子演示资源，尤其是上海交大丁祖荣教授的流体力学课程，将每部分的抽象概念和流体现象都做成了动画，相信通过这些电子演示资源的演示，授课效果会得到大大提高。[6]

除了动画外，电子演示资源还包括实际实验现象的录像和图片、数值计算结果的动态演示和图片、实验演示录像等多种形式，具体形象地展示流体的流动现象和抽象的概念，使一门抽象和深奥的理论课程的讲授过程变得生动活泼，大大提高教学效果及教学效率。

（二）教学过程与本学科的工程实际结合

大学的工科课程教学的最终目的是让学生学以致用，而目前高等教育普遍存在着理论知识与工程实际脱节的现象。将课程教学过程与本学科工程实际结合可改善目前的状况。

在课程的专题部分，结合工程实际问题进行讲授，也可邀请从事相关领域研究的教师加入一些与专题相关的专题讲座，使学生对所学知识在实践中的应用有一个更明晰的认识。另一方面，目前的数值模拟技术已经深入各个领域，在工程实际中都有相关的模拟软件的应用。在教学过程中可引入流体力学模拟软件[7]（如fluent软件、CFD软件以及与流体力学相关的本学科专业模拟软件等）的介绍和一些具体应用的例子，并可作为大作业让学生利用模拟软件解决典型的问题和进行一些专题的数值实验，还可以鼓励学有余力的学生参加相关课题组教师的一些科研工作，以获得直接的科研锻炼，这样不但可以使课堂内容丰富多样，还可以使学生了解学科前沿的内容，接触工程实际的具体问题。学生通过这些活动，综合素质、创新精神与实践能力都有所提高，为日后参加工作打下良好的基础。

三、结束语

作为多个学科的专业基础课，流体力学的教学目的不仅要让学生学习到相关的理论知识，还要使学生掌握应用流体力学解决实际问题的能力。流体力学教学改革是目前各个高校流体力学课程共同关注的问题。从教学理念、教学手段和方法上对流体力学进行教改，并将流体力学的教学与本学科的工程实际紧密结合，取得了很好的教学效果。

[ 注 释 ]

[1] 杨小林，杨开明，严敬，赵琴.流体力学课程教学改革探析[J].高等教育研究，2006（2）：47-48.

[2] 毛欣炜，毛根海.数字流体力学教学系统——力学课程的教学改革[J].力学与实践，2004（6）：80-81.

[3] 黄芬霞.《工程流体力学》教学改革的探索[J].吉林教育，2009（5）：46.

[4] 严宗毅，苏卫东.运用多媒体进行流体力学教学的体会[J].力学与实践，2000（2）：56-58.

[5] 李岩，孙石.《工程流体力学》课程教学改革与实践[J].科教文汇，2008（11）：88-89.

[6] 丁祖荣，流体力学（上、中、下）[M].北京：高等教育出版，2003.

[7] 郑捷庆，邹锋，张军，罗惕乾.CFD软件在工程流体力学教学中的应用[J].中国教育装备，2007（10）：119-121.

计算流体动力学 第12篇

计算流体力学简称CFD, 计算流体力学应用于城市规划设计中可以有效预测城市规划方案对城市楼宇、街区的小气候的影响, 所以计算流体力学被越来越多的应用于城市规划设计, 相对于一般的实验研究而言, 计算流体力学具有应用成本低、计算速度快、周期短、效率高, 可以任意模拟真实及理想的条件, 计算流体力学后处理技术较完善, 便于分析流体力学计算结果等优点。比如, 在建设好的街道内存在风口, 形成很大的局部风速, 甚至可能直接对街区内的行人或者附近的建筑物造成影响。

1计算流体力学在城市规划设计中应用的局限性

计算流体力学在城市规划设计中的应用存在一定的局限性, 主要表现在计算流体力学必须要有准确的数学模型, 并且在模拟数据中用离散化的方法处理数学方程时需要对流体力学计算中所碰到的收敛性、稳定性等问题进行分析, 然而做的这些分析一般只对线性方程有效, 对不是线性的方程则没有效果。而且计算流体力学受计算机内存、运行速度等计算机固有条件的限制, 只有计算机的运行速度等硬件设施达到一定程度计算流体力学才会出现新的发展阶段。

2计算流体力学的概念和在城市规划设计中的计算方法

计算流体力学的步骤为先确定了那些能够描述的连续变化的对象的流动参量的微分方程组后, 然后采用计算数值的方法, 通过离散化的方法用离散时间和空间的值来表示连续变化的参量, 用代数方程组的形式替代微分方程组转, 空间的离散位置可用计算网格上的节点来描述, 最后流体运动特性是通过计算机求解这些离散的数学方程组来研究的, 同时可以给出流体运动空间非定常或定常流动规律, 这样的学科就是计算流体力学。计算流体动力学的工作程序建立体现物理现象或工程问题本质的数学模型就是模拟数值的出发点, 就是要塑造体现问题每个量之间关系的微分方程唯一解前提及方程, 寻找高精确度、高工作效率的计算措施, 也就是塑造针对控制方程的数值离散化措施, 比如有限元法和差分法、有限体积法等, 编写程序和计算分析。计算流体力学涵盖了计算网格的划分、初始条件的导入和边界条件、假设控制参数等。在城市建筑物之间的空气流动为不稳定状态, 并且建筑物的朝向、形态存在很多种变化、地形凹凸不一。所以, 以准备流体力学计算对象的物理特性为基础, 本文将进行CFD模拟的基本控制方程选取为k-ε双方程紊流数学模型, 为适应规划设计中由于各建筑物地形、高度、形状等因素所产生的复杂网格体系我们采用贴体坐标系统。控制方程的通用形式为

方程中当q=1, 表示方程的连续性;当q=u1, u2, u3, 表示ξ1, ξ2, ξ (3曲线坐标) 方向的动量方程;当q=k, 表示紊动动能方程;当q=ε, 表示紊动能耗散率方程, i, j=1, 2, 3, 表示三维空间坐标的3个方向。式中Ui, J和Gij分别表示Jacobian速度变换矩阵、变换矩阵以及扩散量度矩阵。其定义分别为

方程 (1) 的源项Sq为

分别代表连续性方程、动量方程、紊动动能方程及紊动能耗散率方程。其中Pr为紊动动能的产生率:

表1是k-ε模型常数, 表2是Prandtl数在各方程中的取值。

方程 (1) 和 (2) 组成了整个求解区域小气候场的方程组。

3对城市规划设计中应用计算流体力学典型案例的分析

为了探讨计算流体力学在城市规划设计中的应用, 本文以某一个文化广场的规划设计为例详细阐述了计算流体力学在城市规划中的应用, 希望能为大家更好的理解计算流体力学在城市规划设计中的应用。

3.1计算流体力学的区域和网格案例中进行规划的区域东边是一个已经规划好了的体育场, 西边为一个山坡, 南边和北边都已经盖好了建筑。根据规划区域的地形图和已有建筑的分布图可以生成一个计算流体力学的计算网格 (如图1) , 这个规划设计中我们采用的是结构化的计算网格, 该计算网格总共设置了68×67×31个计算流体力学的点, 流体力学的分析计算范畴为1km×1km×50m。流体力学计算网格运用POINTWISE公司的计算流体力学网格生成软件包GRIDGEN生成。这个软件包是专门替流体力学的计算而编写的一种商业用途的计算流体力学生成网格软件, 这个软件可以生成很多复杂形状的近体坐标计算流体力学网格系统, 并且这个软件还能够比对优化生成的网格质量。因为流体力学的计算网格的繁琐性, 流体力学的分析计算是比较麻烦的。这又是在城市规划设计领域应用计算流体力学的比较典型的案例。因为该案例的流体力学的计算区域非常的不规则, 所以生成计算流体力学网格和计算流场将把工作重心放在解决不规则的流体力学计算网格所带来的一系列问题上, 也就是如何控制网格的生成质量和怎么处理流体力学计算过程中由于不规则的计算网格所导致的和收敛性相关的问题。利用GRIDGEN这个程序同时通过该软件程序本身设置的简化算法, 可以得到较高质量的流体力学计算网格;但是和收敛性有关的问题只能够以流体力学计算的求解程序为基础和使用者的经验来处理。在研究这个案例的过程中, 我们运用拟不稳定状态的计算方法较快的收敛流体力学计算。这个方法就是从非稳态的算法开始以更深的研究稳态的问题, 在一定的时间范畴内, 进行N次的迭代, 从而使得较为复杂的流动难题能够快速稳定的收敛于它的解。在流体力学计算领域, 拟不稳定状态的计算措施是使流体力学计算得到收敛的一个行之有效的措施。

3.2流体力学计算边界条件在计算城市规划设计流体力学过程中确定适合的计算边界条件为流体力学计算运用于城市建筑规划领域探讨的一个很关键的方面。在实际的流体力学计算过程中, 计算的区域除了上空采用开放的适意流动的边界, 地面和规划区内建筑物表面采用固体的表面边界, 其它4个方向的边界取值也将对流体力学的计算区域有较大的影响。因为规划区外已经存在的建筑物会对流体力学的计算存在一定影响, 东南西北4个方向的边界条件的取值非常复杂。在本文的探究中, 因为是简单探讨计算流体力学在城市规划设计中的应用, 所以我们采取的是最简单的方式来设定流体力学计算的边界条件值。以某一些原则为依据, 而且经过整理分析规划区域本地的气象文件资料, 我们明确选取风向频率较高的北风和东北风作为流体力学的计算前提, 选取的风力的大小会影响人群的生活、当地每年都会出现的10米每秒的风速作为导入的风速, 并且不考虑城市规划区域外已经存在的建筑物对流体力学计算边界条件的影响。竖直方向的阶梯风也会影响流体力学的计算结果。本次研究采用的流体力学计算边界条件如下:地面和已有建筑物的表面为固定墙壁;天空为自由的流动边界, 也就是滑移的界限。分析东北风的工况时:东面和北面为10×0.714m/s的风速入口, 风向为东北方向时, 南、西面为自由的出口边界。

4结束语

综上所述, 计算流体力学为城市规划设计做出了很大贡献, CFD很大程度上使城市规划设计更加合理, 所以流体力学计算在城市规划设计中的运用会更加普遍, 我们需要经常地了解总结流体力学计算在城市规划设计中的运用的经验, 不断地对流体力学计算技术加以完善, 使其更好地为城市规划设计做出贡献。

摘要：计算流体力学可以模拟正在规划的城市建筑群的小气候的数值, 也可以较为准确的预测城市规划方案使城市楼宇、街道的小气候即将发生的改变, 从而在城市规划设计中趋利避害。本文简要探讨了计算流体力学在城市规划设计中的应用, 希望能给大家一些借鉴学习之处。

关键词：城市规划,设计,计算流体力学

参考文献

[1]李建强.流体力学在工程建设中的应用[J].华东交通大学学报, 2001 (4) :66-67.

[2]程雪玲, 胡非.复杂地形网格生成研究[J].计算力学学报, 2006, 23 (3) :313-316.